基于HyperWorks的智能移動升降平臺車的優(yōu)化設(shè)計(jì)

史久偉 鄒偉平 鄒偉東 朱曉清 宋瑞宏

摘要：大型升降平臺車承載重量大，連續(xù)使用載荷附加車身上，即主要集中在車架，所以車架故障率高，本文運(yùn)用集約化設(shè)計(jì)理論，完成結(jié)構(gòu)單一的大承載車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，用CROE軟件建立了車架的動力學(xué)模型，利用CROE自帶的有限元分析模塊對車架進(jìn)行有限元分析，模擬車架的實(shí)際工作環(huán)境，模態(tài)分析得出車架最惡劣工作環(huán)境，提取車架惡劣工況下的仿真參數(shù)作為hyperworks結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主參數(shù)，對車架的二次設(shè)計(jì)，并在車架剛度滿足惡劣工況前提下車架設(shè)計(jì)區(qū)域減重30%，完成車架輕量化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：智能移動升降平臺車;hyperworks;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;輕量化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）09-0146-02

隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，制造業(yè)作為國家的支柱行業(yè)也在飛速發(fā)展，其中升降平臺機(jī)在工程建設(shè)、碼頭搬運(yùn)和機(jī)械行業(yè)中成為必不可少的工具。車架所需承受的載荷大部分是升降平臺往復(fù)升降動作。升降過程中的振源很多，在車輛行駛過程中還需面對橫移和載荷沖撞帶來的振動，所以模態(tài)分析中，工程機(jī)械面對的惡劣工況，除實(shí)際行駛中突發(fā)工況下導(dǎo)致的振動外，還要考慮外部負(fù)載的激振對車架的影響。為改善設(shè)備運(yùn)載隔振，除了模態(tài)分析外進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的，為改善設(shè)計(jì)環(huán)境有限元分析加上基于hyperworks的數(shù)值分析法是改善工程機(jī)械的合理化手段。

1 優(yōu)化方法

1.1 車架的動力學(xué)模型

車架優(yōu)化設(shè)計(jì)以是大量的優(yōu)化理論和方法為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于數(shù)值法的動力學(xué)模型，以參數(shù)化設(shè)計(jì)搭建優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，在進(jìn)行無限次迭代后，使模塊滿足最惡劣工況下的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。需要得到所期望的最大或最小值迭代函數(shù)，最后極限值進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)， 根據(jù)所需的功能，確定最佳的技術(shù)解決方案。

車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的動力學(xué)模型表示

minR（Y）=R（Y1，Y2，…，Yn） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

hi（Y）=hi（Y1，Y2，…，Yn），（i=1，2，M） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

Y=（Y1，Y2，…，Yn）T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

Y指車架不同工況下模態(tài)分析后得的設(shè)計(jì)變量;hi（Y）為車架不同工況下的狀態(tài)變量;R（Y）指設(shè)計(jì)車架變量的目標(biāo)函數(shù)。車架設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，它通常用于常態(tài)環(huán)境下數(shù)值的設(shè)計(jì)，其上限和下限是根據(jù)通常意義上車架行駛和工作中的極限值設(shè)定。為了滿足輕量化設(shè)計(jì)要求，車架變量的目標(biāo)函數(shù)盡可能小，功能必須設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)變量。對于每一種工況下的上限和下限，應(yīng)該在每一個工況下的最小值和最大值的基礎(chǔ)上的外加外部激勵作條件，可以通過調(diào)整參數(shù)化設(shè)計(jì)后的模塊，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果。

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

OptiStruct是hyperworks里面的多款結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊里的一種，車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)最惡劣工況情況來判斷，我們需要了解其惡劣工況下，車架的變形，及應(yīng)變大小，模型的形貌變化，位移云圖，和升降平臺的拓?fù)潢P(guān)系，這些在改模塊下能得到最優(yōu)解決方案。由于車輛外部激勵過多，車架在工作是面臨多變效應(yīng)，我們需要利用OptiStruct模塊里均化法和密度法來確定車架工作時的材料屬性，這樣才能最真實(shí)模擬出實(shí)況下的車架狀態(tài)。根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo)可以判斷出有限元模型中，每一個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有六個設(shè)計(jì)變量，三個維度，拓?fù)潢P(guān)系決定材料的模型要用一種等效的復(fù)合材料模型代替，這就是均化法。在發(fā)生應(yīng)變是，材料變形會有同向性和應(yīng)變集中的現(xiàn)象，理想狀態(tài)是不引入微結(jié)構(gòu)，為了簡化計(jì)算，我們把有限元模型的拓?fù)鋬?yōu)化定義為默認(rèn)，這樣就可以在利用OptiStruct模塊無限次迭代時限定車架仿真時實(shí)體單元、殼單元的模型。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是搭建工程機(jī)械模塊設(shè)計(jì)，以大數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)在背景的必然選項(xiàng)，hyperworks提供了基于參數(shù)化設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多約束的優(yōu)化工具，為解決實(shí)際工作中的多變效應(yīng)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。車架工作的隨機(jī)性決定了我們在仿真時要完成隨機(jī)仿真，CROE的有限元分析模塊，處理速度快，建立的仿真模型可以省去另導(dǎo)入Ansys軟件在建約束的環(huán)節(jié)，減少了出錯概率，hyperworks設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)的導(dǎo)入即可完成隨機(jī)仿真。

2 智能移動升降平臺車車架優(yōu)化的結(jié)果

根據(jù)模態(tài)分析和車架維修的情況推斷，車架最惡劣工況是車架在上坡時，急轉(zhuǎn)，并承受左右偏載，外加最大承重載荷帶慣性沖撞引起振動。當(dāng)爬坡度大于35度時，在最惡劣工況下回給車架和升降平臺的鏈接處會出現(xiàn)較大的位移約束，使車架出現(xiàn)扭彎混合變形，并且出現(xiàn)承受載荷極度不均勻。根據(jù)車架的靜力學(xué)研究和hyperworks仿真記錄結(jié)果，最惡劣工況下最大應(yīng)力值達(dá)到175MPa，是模態(tài)分析十階結(jié)果參數(shù)導(dǎo)入hyperworks后，得到的最大應(yīng)力值。OptiStruct模塊無限次迭代后，進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1，圖1中可以看到車架的最優(yōu)化結(jié)果的有限元靜力學(xué)模型，應(yīng)力主要集中在車架的后半部，藍(lán)色區(qū)域基本全部集中在車架與車身連接的法蘭處。這里柔度迭代曲線起伏較說明惡劣工況車架自身受力極度不均勻有關(guān)。

3 結(jié)語

用hyperworks軟件對最惡劣工況下車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在利用其OptiStruct模塊得出了智能移動升降平臺車架最優(yōu)化布局等值面圖，顯示出車架在最惡劣工況下的變形為扭彎混合變形，為二次優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。應(yīng)力主要集中在車架的后半部，藍(lán)色區(qū)域基本全部集中在車架與車身連接的法蘭處。由此指明我們二次優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向，在藍(lán)色部分我們可以削弱材料的使用量，在車架應(yīng)力集中部分可以利用補(bǔ)加加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)來滿足設(shè)計(jì)需求。通過二次設(shè)計(jì)，按照最優(yōu)布局，可以將車架設(shè)計(jì)的重量降低至少30%。

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Abstract：Large-scale lifting platform trucks have large bearing weights and continuous use of loads on the vehicle body， that is， they are mainly concentrated in the frame， so the frame failure rate is high. This paper uses the intensive design theory to complete the optimization design of the single-frame large-capacity frame. The CROE software is used to establish the dynamic model of the frame. The finite element analysis module of CORE is used to carry out finite element analysis on the frame to simulate the actual working environment of the frame. The modal analysis results in the worst working environment of the frame. The simulation parameters under the harsh working condition of the frame are the main parameters of the hyperworks structure optimization， and the secondary design of the frame， and the frame design area is reduced by 30% under the premise that the frame rigidity satisfies the severe working condition， and the frame weight reduction is completed. design.

Key words：intelligent mobile platform truck; hyperworks; structural optimization; lightweight design